多針頭水浴靜電紡聚酰胺6納米纖維束的形成機理及應用研究.pdf

1、納米纖維具有極高的比表面積、優(yōu)秀的表面性能與優(yōu)良的力學性能，在紡織、過濾、能源、生物醫(yī)用、傳感、防護等多個領域具有廣泛的應用前景，成為了科技領域研究熱點之一。將納米纖維的這些性能應用到三維纖維制品上，制成智能紡織品或功能性紡織品成為納米纖維應用的發(fā)展趨勢。靜電紡納米纖維束是制備納米纖維三維制品的關鍵原料，對拓展納米纖維的應用具有重要意義。然而，目前納米纖維束的產(chǎn)量較小，強力較低，限制了納米纖維產(chǎn)品的開發(fā)與應用。基于此，本文致力于探明穩(wěn)定

2、連續(xù)的多針頭水浴靜電紡納米纖維束的形成機理，建立一套高產(chǎn)量納米纖維束的連續(xù)制備方法，同時形成一套完整的納米纖維束力學性能增強體系，實現(xiàn)高強度納米纖維紗的連續(xù)生產(chǎn)，并將其制備成納米纖維織物，為納米纖維三維制品的研究與開發(fā)提供理論與實驗基礎。
　　本文首先利用聚酰胺6（PA6）與多針頭水浴靜電紡絲裝置制備PA6納米纖維束，并探討了針頭排列與針頭數(shù)對其結構和性能的影響。通過對多針頭靜電紡電場的研究發(fā)現(xiàn)，針頭排列與針頭數(shù)的變化會導致針頭間

3、電場干擾的改變，進而影響纖維束的結構與性能。利用電場干擾理論與Ansoft Maxwell電場模擬軟件量化了針頭間的電場干擾，并利用其定量分析了針頭排列及針頭數(shù)與纖維束結構和性能的關系。結果表明：利用電場平均偏移量可以定量地表達針頭間的電場干擾，電場平均偏移量越大，電場干擾越大。同一針頭數(shù)下，因針頭排列不同而造成的電場干擾增大時，納米纖維直徑近似線性增大，而纖維束的定向度與斷裂強度近似線性減小。當針頭數(shù)不同時，隨針頭數(shù)的增加，電場干擾增

4、大，納米纖維平均直徑與電場干擾幾乎線性正相關，纖維束平均定向度與電場干擾近似線性負相關，但其斷裂強度與電場干擾的關系不明顯。
　　較大的電場干擾會影響纖維束制備的連續(xù)性與穩(wěn)定性。為了減弱電場干擾，對多針頭水浴靜電紡絲裝置添加了輔助電極，并研究了輔助電極參數(shù)與纖維束定向度和產(chǎn)量的關系。同時，對納米纖維的濕法成形與集束過程進行了研究，探明了穩(wěn)定連續(xù)多針頭水浴靜電紡納米纖維束的形成機理。結果表明：輔助電極可以優(yōu)化納米纖維束的定向度與產(chǎn)量

5、，最優(yōu)的輔助電極參數(shù)為：圓角矩形輔助電極，尺寸100×60mm，高度17.5mm，電壓22kV。添加最優(yōu)輔助電極后，纖維束的產(chǎn)量增加了14.3％，纖維直徑減小了9.9%，纖維束定向度增加了24.8%，纖維結晶度、玻璃化轉變溫度與熔融溫度分別增大了9.2%，4.0%與0.7%；纖維束與其中納米纖維的斷裂強度分別提高了33.3%與114.7%，兩者的初始模量均提高了近一倍，而兩者的斷裂伸長率分別減小了12.5%與22.1%。
　　穩(wěn)定

6、連續(xù)的多針頭水浴靜電紡納米纖維束的形成機理為：聚合物溶液在多針頭高壓電場下形成射流；輔助電極用來削弱多針頭間的電場干擾，使得射流在運動過程中偏移較小，同時減弱了泰勒錐及射流的不穩(wěn)定性，使得射流狀態(tài)較好，納米纖維損失較少，最終形成狀態(tài)較好的納米纖維沉積在浴液中；經(jīng)過進一步的濕法成形，納米纖維具有皮芯結構，其外層結構緊實致密，內(nèi)部結構柔軟疏松；在卷繞拉力與水浴阻力的共同作用下，濕法成形的薄片狀纖維集合體開始集束，并在浴盤邊緣經(jīng)集束三角區(qū)集束

7、成為較細的濕纖維束，再經(jīng)過烘干裝置，形成干纖維束，最終卷繞到卷繞羅拉上形成納米纖維束。
　　利用后拉伸、并合、加捻、定型等二次加工方法提高纖維束的力學性能，并研究了這些二次加工方法對纖維束結構和性能的影響，建立了一套有效的二次加工體系。結果表明：通過后拉伸處理，纖維束中納米纖維的直徑減小，彎曲與圈圈纖維變少，纖維束的定向度提高，同時纖維的結晶度、玻璃化轉變溫度、熔融溫度、熔融熱焓值都增大，因此，經(jīng)過后拉伸的纖維束的初始模量與斷裂強

8、度提高，斷裂伸長率降低。納米纖維紗的定型效果隨定型溫度與時間的增加而變好，其斷裂強度隨定型溫度和時間的增加而增大，但當溫度超過80 ℃且處理時間超過30min時，紗線的斷裂強度下降；定型工藝最優(yōu)參數(shù)為：溫度90 ℃，時間30min。當捻度為2500tpm時，隨并合數(shù)的增加，紗線的直徑增大，直徑的均勻性得到改善，纖維沿紗線捻向的定向度（ADT）增大，而纖維直徑減小。當并合數(shù)從1根增加到4根時，紗線的初始模量與斷裂強度都增大，當并合數(shù)繼續(xù)增

9、加時，其初始模量與斷裂強度反而減??；但紗線的斷裂伸長率隨著并合數(shù)的增加而持續(xù)增大。當并合數(shù)為4時，隨捻度的增大，紗線和纖維的直徑都下降，ADT增大，紗線的初始模量，斷裂強度與斷裂伸長率均得到提高，但當捻度高于2500tpm時，其初始模量與斷裂強度開始下降。因此4根并合具有2500tpm捻度的納米纖維紗（4-2500紗線）的斷裂強度最優(yōu)，可以達到初紡纖維束的2.57倍。
　　將4根4-2500紗線并合上漿，利用漿紗過程提高納米纖維紗

10、的可織性，然后利用針織與機織兩種方式將其制備成納米纖維織物，并研究了納米纖維織物的結構與性能。結果表明：上漿后紗線的初始模量，斷裂強度與斷裂伸長率增大，斷裂不同時性得到了明顯改善；上漿顯著提高了紗線的耐磨性與可織性。
　　對于納米纖維機織物（WNPA）：其比表面積大于其對比織物。WNPA經(jīng)向的斷裂強力、斷裂功、斷裂比功均大于緯向，而經(jīng)向的斷裂伸長率小于緯向。WNPA的初始吸濕速率、平衡回潮率、初始芯吸速率、芯吸高度、液滴在其上的整

11、體鋪展速率、吸附量與吸附量初始增加速率均大于其對比織物，而其K/S值與液滴在其上的完全鋪展時間均小于其對比織物。
　　對于納米纖維針織物（KNPA）：其比表面積顯著大于其對比織物。KNPA橫向與縱向的斷裂強力、斷裂功、斷裂比功及斷裂伸長率均相差不大。KNPA的初始吸濕速率、平衡回潮率、初始芯吸速率、芯吸高度、液滴在其上的整體鋪展速率、吸附量及吸附量初始增加速率均大于其對比織物，而液滴在其上的完全鋪展時間及其K/S值均小于其對比織物

12、。
　　WNPA與KNPA相比：KNPA的比表面積、斷裂比功、初始吸濕速率、初始芯吸速率、芯吸高度、液滴在其上的整體鋪展速率、吸附量及吸附量初始增加速率均大于WNPA。KNPA的BET值為8.151m2/g，芯吸高度高達109.0mm，液滴在其上的整體鋪展速率達到20.202μL/s，90 ℃時KNPA的吸附量可達15.55mg/g。因此，納米纖維織物具有較大的比表面積，出色的吸濕、潤濕及芯吸性能，同時還具有優(yōu)秀的吸附性能，為后續(xù)